用于立方體衛(wèi)星的高增益天線技術(shù)與發(fā)展趨勢
2022-10-25 03:13:26王建曉宋大偉李小軍
空間電子技術(shù) 2022年5期
王建曉,尚 社,宋大偉,羅 熹,李 棟,李小軍
(中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710000)
0 引言
1999年，美國加州理工學(xué)院Puig-Suari教授和斯坦福大學(xué)Twiggs教授首先提出了立方體衛(wèi)星(CubeSat)標(biāo)準，并制定了立方體衛(wèi)星的相關(guān)標(biāo)準，旨在利用較低成本幫助宇航專業(yè)的學(xué)生獲得系統(tǒng)工程經(jīng)驗并熟悉衛(wèi)星研制的全過程[1]。立方體衛(wèi)星就是具有立方體形狀的衛(wèi)星。在實際中，立方體衛(wèi)星可以由多個基本單元組成，一個基本單元(1U)的外形包絡(luò)為10cm×10cm×10cm、質(zhì)量約為1kg。立方體衛(wèi)星的尺寸也由1個維度尺寸的增加拓展到3個維度尺寸的增加，但外形必須是立方體。2003年6月30日，日本東京工業(yè)大學(xué)、丹麥奧爾堡大學(xué)等研發(fā)的立方體衛(wèi)星作為立方體衛(wèi)星的先驅(qū)首次發(fā)射成功[2]。受益于微電子、太陽能電池、MEMS、FPGA、高效電機、先進材料、微型敏感器等領(lǐng)域的快速進步，立方體衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用也得到了跨越式發(fā)展[3]。公開數(shù)據(jù)顯示，近十年立方體衛(wèi)星發(fā)射量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，如圖1所示。由于立方體衛(wèi)星優(yōu)先選用商用元器件和芯片，這樣不僅支持標(biāo)準化設(shè)計和批量化生產(chǎn)，還可以大幅度縮短衛(wèi)星研制時間、降低生產(chǎn)成本。隨著電子信息技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷進步，立方體衛(wèi)星很快就突破了教學(xué)范疇，并且逐漸在遙感、通信、深空探測等主流應(yīng)用領(lǐng)域占有一席之地[4]。
圖1 納衛(wèi)星與立方體衛(wèi)星發(fā)射趨勢圖Fig.1 Trend of total nanosatellites and CubeSats launched
1 立方體衛(wèi)星天線概述
隨著立方體衛(wèi)星技術(shù)成熟度的不斷提高及其應(yīng)用領(lǐng)域的變化，立方體衛(wèi)星天線的形式也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。根據(jù)天線增益的不同，立方體衛(wèi)星天線大致可以分為：低增益天線(Gain≤8dBi)、中增益天線(8dBi
圖2 立方體衛(wèi)星低增益天線Fig.2 Low gain antennas for CubeSats
作為衛(wèi)星系統(tǒng)的“眼睛”和“耳朵”，星載高增益天線對衛(wèi)星的整體性能起到?jīng)Q定性的作用。ISARA、MarCO、RainCube等為立方體衛(wèi)星開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，攜帶高增益天線的立方體衛(wèi)星逐漸在深空通信、微波遙感等領(lǐng)域嶄露頭角[11]。本文將重點闡述用于立方體衛(wèi)星的高增益天線研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，為立方體衛(wèi)星的應(yīng)用提供有益參考。
2 立方體衛(wèi)星高增益天線
高增益天線通常需要較大的物理口徑，因此立方體衛(wèi)星高增益天線設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)，即如何利用立方體衛(wèi)星有限的空間來容納高增益天線的巨大口徑[12]。由于受限于立方體衛(wèi)星有限的空間尺寸，立方體衛(wèi)星高增益天線形式的選取需要考慮以下因素：收攏體積、展開機構(gòu)復(fù)雜度、工作頻段、電性能。結(jié)合已經(jīng)在軌驗證的立方體衛(wèi)星高增益天線，下面將詳細介紹用于立方體衛(wèi)星的折疊型平面反射陣天線與可展開網(wǎng)狀反射面天線的關(guān)鍵技術(shù)。
2.1 折疊平面反射陣天線
反射陣天線由周期結(jié)構(gòu)排列的反射陣列和用于空間饋電的饋源組成。反射陣天線兼具反射面天線和相控陣天線的優(yōu)點，還具有極大的設(shè)計自由度，目前已經(jīng)成為最具潛力的高性能星載天線形式之一[13]。1996年，Huang[14]首次提出了星載折疊平面反射陣(folded plane reflectarray, FPR)天線的設(shè)想，使用彈簧負載鉸鏈來折疊/展開平板反射陣天線。由于反射陣天線從未經(jīng)過在軌驗證，將折疊平面反射陣天線用作星載天線也存在較大技術(shù)難度，因此NASA選擇成本較低的立方星來實施搭載和在軌驗證試驗。如圖3所示，NASA先后發(fā)射的ISARA與MarCO立方體衛(wèi)星均搭載了折疊平面反射陣天線，并且正在研發(fā)更大口徑的OMERA折疊平面反射陣。
2017年11月12日，JPL研發(fā)的ISARA立方體衛(wèi)星發(fā)射成功，并圓滿完成在軌演示驗證試驗[15]。如圖3(a)所示，ISARA立方星的規(guī)格為3U (10cm×10cm×34cm)，這是首次搭載折疊型平面反射陣天線。FPR的輻射口徑由3塊33.9cm×8.26cm的陣面組成，并與太陽能帆板一體化設(shè)計(太陽能帆板位于反射陣的背面)；饋源(微帶貼片陣列)安裝在衛(wèi)星的本體，焦距為27.6cm，偏置為14.67cm；工作頻率為26GHz，增益為33dBi；下行數(shù)據(jù)傳輸速率>100Mb/s。由于饋源效率較低、陣面拼接間隙較大等因素，ISARA的口徑效率僅為26%。ISARA不僅是首次實現(xiàn)反射陣天線與太陽能帆板一體化設(shè)計的衛(wèi)星，還首次在軌驗證了Ka頻段反射陣天線[15]。ISARA在饋源、鉸鏈等方面還存在較大的優(yōu)化空間，折疊型平面反射陣天線正在為立方體衛(wèi)星提供一種新的高增益天線解決思路。受到ISARA的鼓舞，NASA開始嘗試利用反射陣天線來完成通信中繼任務(wù)。
圖3 用于立方體衛(wèi)星的折疊型平面反射陣Fig.3 Folded plane reflectarray for CubeSat applications
“洞察號”與MarCO立方星于2018年5月5日發(fā)射成功，并于2018年11月26日到達火星上空[16]。如圖3(b)所示，MarCO反射陣的工作頻段為X頻段(8.4～8.45GHz)，由3塊口徑 19.9cm×33.5cm的子陣組成，增益為29.2dBi，口徑效率為42%。如圖4所示，在“洞察號”進入、下降、著陸期間，MarCO從火星上空3500公里處飛掠火星，利用指向火星的UHF頻段環(huán)形天線接收來自“洞察號”的EDL數(shù)據(jù)(以8kb/s的速率)，再利用指向地球的X頻段反射陣天線將該EDL數(shù)據(jù)傳送到NASA的70m深空通信天線。經(jīng)過ISARA、MarCO的在軌演示驗證，F(xiàn)PR的技術(shù)成熟度得到了充分的驗證。目前，NASA正在研制工作頻率更高、物理口徑更大的反射陣天線OMERA，如圖3(c)所示。OMERA的配置類似于卡塞格倫天線，工作頻率為35.75GHz，增益達到47.4dBi，15塊通過鉸鏈連接的矩形平板組成81.8cm×98.4cm的輻射口徑[17-18]。
作為星載反射陣天線的代表性應(yīng)用實例，MarCO折疊平面反射陣的技術(shù)特點將為星載反射陣天線提供借鑒價值和指導(dǎo)意義，下面將詳細介紹MarCO折疊平面反射陣的具體技術(shù)細節(jié)。如圖5所示， MarCO繼續(xù)沿用ISARA的微帶貼片陣饋源方案，饋源的具體形式為 2×4單元的圓極化切角微帶貼片陣列。采用帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)通過探針對微帶貼片饋電，在饋電帶狀線周圍設(shè)置金屬化導(dǎo)通孔以消除饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生影響。此外，為了抑制立方星本體對饋源方向圖的影響，對饋源的俯仰維的副瓣電平進行控制。饋源的增益約為13.8dBi，10dB波束寬度約為47.1°(俯仰維)× 84.1°(方位維)。饋源的尺寸為9.2cm(長)×4.2cm(寬)×4.7mm(厚)，饋源天線通過彈簧鉸鏈與衛(wèi)星本體連接。
圖4 MarCO通信中繼示意圖Fig.4 MarCO telecommunications relay concept
圖5 MarCO折疊平面反射陣饋源Fig.5 The feed antenna of MarCO FPR
由于反射陣的表面平整度直接影響到天線的輻射性能，因此如何保證反射陣的平整度就顯得至關(guān)重要。MarCO反射陣必須承受發(fā)射與飛行過程中的振動環(huán)境與高低溫度環(huán)境。與ISARA類似，MarCO反射陣的介質(zhì)基板也采用三明治結(jié)構(gòu)，即，“Rogers RO4003+XN-80-60S碳纖維+ Rogers RO4003”，如圖6所示。Rogers RO4003電路板可以提供穩(wěn)定的射頻性能與良好的表面平整性。XN-80-60S碳纖維可以提供較好的強度、熱傳導(dǎo)特性以及較低的熱膨脹系數(shù)。在兩層Rogers RO4003基板上都刻蝕上反射陣單元，完全對稱的三明治結(jié)構(gòu)的對稱性能夠有效地抑制熱效應(yīng)引起基板的彎曲程度。
圖6 MarCO FPR基板細節(jié)參數(shù)Fig.6 Details of MarCO FPR panel
反射陣面的展開機構(gòu)為根部鉸鏈、翼鉸鏈、釋放裝置。MarCO FPR的鉸鏈與釋放裝置如圖7所示。根部鉸鏈連接反射陣面與衛(wèi)星本體，翼鉸鏈連接3塊子陣，釋放裝置熔斷反射陣天線的綁帶[19]。根部鉸鏈決定了反射陣面與立方星本體的夾角，因此根部鉸鏈的展開位置會影響天線的波束指向。翼鉸鏈決定了陣面的平整度與拼接間隙，因此翼鉸鏈會影響天線的增益。
圖7 MarCO FPR的鉸鏈與釋放裝置Fig.7 Hinge and release mechanism of MarCO FPR
如圖8所示，當(dāng)天線收攏時，饋源收納在衛(wèi)星本體的矩形收納腔內(nèi)，3個子陣折疊到衛(wèi)星本體的一面；當(dāng)天線展開時，3個折疊子陣整體沿根部鉸鏈展開，饋源彈出，3個子陣沿著翼鉸鏈展開為完整的反射陣面。帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端為帶狀線-CPW過渡變換器，連接到CPW線的GPO連接器被直接用作射頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。饋源裝置成功通過展開測試、熱循環(huán)、振動試驗等。展開結(jié)構(gòu)可以準確實現(xiàn)所需要的展開角度(22.76°)，重復(fù)誤差小于0.08°。MarCO 折疊平面反射陣的總重量為998g(指標(biāo)要求小于1kg)，其中，反射陣面的重量為931g，饋源的重量為57g，釋放裝置的重量為10g。平面裝置使用攝影測量法來評估平面的平整度、展開角度以及可重復(fù)性。平面平整度的均方根大約為0.95mm。在五次展開試驗中，翼鉸鏈最大展開角度誤差分別為0.27°(+X子陣)和0.08°(-X子陣)，根部鉸鏈的最大展開角度誤差約為0.02°。MarCO反射陣的展開機構(gòu)具有良好的重復(fù)性，展開誤差均在可接受范圍之內(nèi)。
圖8 MarCO折疊平面反射陣收攏與展開示意圖Fig.8 The stowed and deployed status of MarCO FPR
FPR具有極小的收攏體積、極低的制造成本、極輕的重量等優(yōu)勢，這些優(yōu)點與立方體衛(wèi)星高增益天線的設(shè)計目標(biāo)完美匹配。3～6U立方體衛(wèi)星往往更加難以提供很大的安裝空間與安裝表面，因此FPR對這類尺寸的立方體衛(wèi)星更具實際價值。
2.2 可展開網(wǎng)狀反射面天線
目前，反射面天線仍然是應(yīng)用最廣泛的星載高增益天線，可以工作在微波、太赫茲波段[20]。相較于前文所述的反射陣天線而言，反射面天線的最大優(yōu)勢在于頻率不敏感。因此，在寬頻帶或多頻帶高增益應(yīng)用場景中，天線設(shè)計師通常更加青睞反射面天線[21]。反射面天線大致可以分為剛性反射面、充氣反射面、網(wǎng)狀反射面及薄膜反射面。鑒于立方體衛(wèi)星在體積和重量方面的限制，剛性反射面天線無法滿足立方體衛(wèi)星應(yīng)用需求。網(wǎng)狀反射面是20世紀末出現(xiàn)的一種可展開天線，具有質(zhì)量輕、收攏體積小、面密度低等特點。
2018年7月13日，RainCube立方體衛(wèi)星通過國際空間站發(fā)射升空。RainCube立方體衛(wèi)星受到NASA資助，旨在利用低成本的6U立方體衛(wèi)星平臺驗證Ka頻段降水量雷達技術(shù)[22]。RainCube主要驗證了兩項關(guān)鍵技術(shù)：新型小型化Ka頻段雷達架構(gòu)，0.5m口徑Ka頻段可展開網(wǎng)狀反射面天線。RainCube是首顆集成了有源雷達的立方體衛(wèi)星，該雷達可以收集有價值的大氣科學(xué)數(shù)據(jù)。RainCube配備的雷達能夠觀測降雨量并改進天氣預(yù)報模型，NASA的研究人員計劃發(fā)射這種立方體衛(wèi)星組成的星座來獲得比單顆大衛(wèi)星更好的時間分辨率。RainCube是一顆6U的立方體衛(wèi)星，其中，電源系統(tǒng)、計算機、控制系統(tǒng)等設(shè)備共占據(jù)4.5U空間，雷達和天線只有1.5U。RainCube的雷達利用反射面天線來發(fā)射雷達信號與接收回波信號。RainCube的雷達將距離地面450～500km處觀測云層，它需要一副0.5m口徑的天線以獲得10km的足印。
如圖9所示，Ka頻段可展開網(wǎng)狀反射面天線的主要組成部件：1)饋源喇叭；2)饋源支撐桿；3)副反射面；4)可展開網(wǎng)狀反射面；5)伸縮波導(dǎo)。多模喇叭天線可以實現(xiàn)良好的波束等化特性、穩(wěn)定的饋源錐削、低交叉極化等特點。為了降低錐削損失與漏射損失，喇叭天線的-10dB波束寬度設(shè)計為31°。矩形-圓形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器與伸縮波導(dǎo)連接，對輻射喇叭進行線極化饋電。如圖10所示，在反射面天線展開前，伸縮波導(dǎo)收攏在輻射喇叭中，反射面天線的整體收攏體積不大于10cm×10cm×15cm。當(dāng)反射面天線展開時，輻射喇叭沿著伸縮波導(dǎo)向上滑動，傘骨向外伸展直至傘面拉緊。
圖9 RainCube立方體衛(wèi)星[22]Fig.9 RainCube(radar in a CubeSat)[22]
圖10 喇叭天線饋源與伸縮波導(dǎo)[22]Fig.10 Horn feed and telescoping waveguide[22]
圖11 RainCube網(wǎng)狀反射面展開過程[22]Fig.11 Deploy process of RainCube mesh reflector[22]
在設(shè)計網(wǎng)狀可展開反射面天線時，需要重點考慮以下因素：漏射效率與錐削效率，副反射面及其支撐結(jié)構(gòu)的遮擋，有限數(shù)量的肋造成的表面誤差。如何將0.5m口徑的天線收攏在1.5U的空間本身就極具挑戰(zhàn)性，需要在射頻設(shè)計與機械設(shè)計之間折中，主要矛盾集中在焦距與肋數(shù)量的選取。副反射面的高度受限于整體收攏體積的最大高度以及副反射面的展開復(fù)雜度。如果副反射面到拋物面頂點的距離小于11cm，那么副反射面就不需要使用展開機構(gòu)；如果該距離小于22cm，那么副反射面只需要一次展開即可；如果該距離小于33cm，那么副反射面就需要兩次展開。為了降低天線展開機構(gòu)的復(fù)雜度，設(shè)計人員希望副反射面最多使用一次展開，因此副反射面的高度限定為22cm以下，反射面的焦距限定為25cm以下。眾所周知，可展開網(wǎng)狀反射面的精度與肋的數(shù)量成正相關(guān)，而展開機構(gòu)的復(fù)雜度也與肋的數(shù)量成正相關(guān)，因此需要兼顧反射面的精度與展開結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度的前提下選擇合適數(shù)量的肋。當(dāng)采用30根肋時，反射面的均方根可以達到0.2mm，增益損失不大于0.39dB。因此，30根肋不僅可以保證天線的RF性能，還可以確保肋之間具有足夠的空間以防展開時發(fā)生碰撞。對于這類天線而言，常用的方法是使用壓縮彈簧的應(yīng)變能來展開反射面天線的肋和網(wǎng)面。但是RainCube網(wǎng)狀反射面天線采用一種基于氣體上升裝置的新型展開機構(gòu)，這是該天線的關(guān)鍵創(chuàng)新點。如圖11所示，RainCube網(wǎng)狀反射面天線的展開過程從釋放發(fā)射鎖開始，即，利用熱刀切斷聚合物捆繩。當(dāng)氣體進入天線收納罐時，天線基座將會緩慢地抬升，直至離開立方體衛(wèi)星。壓縮氣體直接作用在天線基座的底面，因此420kPa壓強產(chǎn)生的290N壓力就可以完全展開反射面天線的肋，并拉緊天線的網(wǎng)面。隨著天線基座逐漸靠近收納罐的頂部，鎖定在天線基座上的根肋也隨之上升、展開。隨著根肋向上移動，等拉力彈簧將頂肋完全展開。一旦根肋與頂肋都完全展開，位于喇叭天線外圍的壓縮彈簧就會釋放并將副反射面推送到指定位置。通過合理地設(shè)定機械公差，副反射面的展開位置與理想位置的偏差為：沿著z軸偏差小于0.2mm，沿著x軸與y軸偏差小于0.1mm。由于通過預(yù)置彈簧來保持副反射面的位置，因此副反射面的重復(fù)展開精度取決于機械公差。當(dāng)Hub上升到其完全展開位置時，彈簧鎖就會將Hub鎖死以保證天線始終保持展開狀態(tài)，即使收納罐減壓。RainCube可展開反射面天線的工作頻率為35.75GHz，增益為42.6dBi，口徑效率為52%；雷達的水平分辨率優(yōu)于10km，垂直分辨率優(yōu)于250m。
基于RainCube的設(shè)計參數(shù)以及展開機構(gòu)，NASA的研究人員設(shè)計了雙極化饋源，研制了用于通信的0.5m口徑可展開網(wǎng)狀反射面天線[23]，能夠兼容NASA的Ka頻段深空通信網(wǎng)。如圖12所示，針對12U立方體衛(wèi)星平臺，NASA的研究人員首先研制用于雷達的Ka頻段1m口徑可展開網(wǎng)狀反射面天線[24]；其次，通過引入組合饋源，研制了用于通信的1m口徑可展開網(wǎng)狀反射面天線[25]，能夠兼容X/Ka頻段深空通信網(wǎng)。對于X頻段而言，該天線的上/下行頻段增益分別為36.1、36.8dBi，效率分別為72%、62%；對于Ka頻段而言，該天線的下行頻段增益為48.4、48.7dBi，效率分別為62%、57%[25]。用于12U立方體衛(wèi)星的1m口徑偏置饋電網(wǎng)狀反射面天線正在研制階段，其展開過程如圖13所示。
圖12 1米可展開網(wǎng)狀反射面天線[24]Fig.12 One meter deployable mesh reflector antenna[24]
圖13 1米口徑網(wǎng)狀反射面展開過程[25]Fig.13 Deploy process of one meter mesh reflector[25]
3 立方體衛(wèi)星高增益天線發(fā)展趨勢
結(jié)合MarCO與RainCube立方體衛(wèi)星的在軌應(yīng)用實例，前文重點回顧了折疊平面反射陣天線與可展開網(wǎng)狀反射面天線的應(yīng)用現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)。展望未來，星載天線的技術(shù)發(fā)展趨勢為“smaller, smarter, cheaper, and faster”[26]，即，如何快速獲得小巧、智能、低成本天線。對于體積、功耗、重量指標(biāo)都非常受限的立方體衛(wèi)星而言，上述訴求尤為迫切。下面將介紹立方體衛(wèi)星高增益天線的幾個重要發(fā)展方向，如，大口徑可展開反射陣天線、充氣式可展開天線、透鏡天線等。
3.1 充氣可展開天線
早在1997年，JPL的Huang等[27]就提出了充氣天線的概念，具體包括充氣平面微帶天線陣、可折疊薄膜陣、充氣微帶反射陣等。由于利用低彈性模量的薄膜材料制成，充氣可展開天線發(fā)射前的收納體積很小，發(fā)射后充氣展開為需要的形狀。充氣可展開天線具有顯著的優(yōu)勢，如重量輕、收納比高、成本低、可靠性高[28]。Huang等[29]先后研制了1m口徑X頻段充氣式可展開反射陣天線樣機與3m口徑Ka頻段反射陣天線樣機[30]，如圖14所示。2008年，浙江大學(xué)的關(guān)富玲教授團隊[31]研制出一款折疊卷收式反射陣天線，將充氣可展開鋁箔圓管用作2m口徑反射陣天線的支撐框架；2014年，關(guān)富玲教授團隊[32]研制出一款充氣球天線，該天線利用反射面上、下球體氣壓差形成需要的拋物面形狀，如圖15所示。
圖14 JPL研制的充氣可展開反射陣天線[29-30]Fig.14 Inflatable reflectarray antenna in JPL[29-30]
圖15 充氣球天線[32]Fig.15 Spherically inflatable antenna[32]
在設(shè)計充氣式可展開天線時，需要解決的關(guān)鍵問題：1)薄膜平面劃分問題；2)展開控制機構(gòu)設(shè)計；3)高效率收攏與展開方案；4)靜態(tài)與動態(tài)空間環(huán)境效應(yīng)建模與分析。由于實現(xiàn)的形面精度較差且需要額外的充氣設(shè)備，目前充氣式可展開天線局限于較低頻段的地面應(yīng)用，距離空間應(yīng)用仍有較大差距。但是，充氣式可展開天線仍然為立方體衛(wèi)星實現(xiàn)大口徑天線方案開辟了新的解決途徑。
3.2 新型展開機構(gòu)天線
常見的花瓣綻放過程與昆蟲羽化過程都屬于生物學(xué)上的展開結(jié)構(gòu)[33]。歷經(jīng)長期演化，自然界的生物體在材料、形狀、結(jié)構(gòu)、功能等方面達到最優(yōu)性能。仿生學(xué)將機構(gòu)創(chuàng)新與生命科學(xué)緊密聯(lián)系起來[34]，如何利用仿生學(xué)指導(dǎo)設(shè)計空間可展開薄膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為研究熱點。JPL設(shè)計了一款展開口徑達到1.5m×1.5m的大口徑可展開反射陣天線(large-area deployable reflectarray，LADeR)，收攏后可以放置在直徑20cm、高度9cm的圓柱內(nèi)，LADeR測試現(xiàn)場及其展開過程如圖16所示。雖然LADeR的口徑尺寸突破了前文的OMERA與Ka頻段網(wǎng)狀反射面天線，但是其設(shè)計頻率降至8.4GHz，測試增益為39.6dBi[35]。
圖16 大口徑可展開反射陣及其展開過程[35]Fig.16 Large-area deployable reflectarray and its deployment process[35]
折紙藝術(shù)具有豐富的幾何形狀，不同的折痕和折疊圖案所折疊出的三維結(jié)構(gòu)具有不同的幾何形狀、力學(xué)性能和功能。目前，學(xué)者已經(jīng)開始將折紙藝術(shù)用于可展開天線的設(shè)計[36]，探索輕質(zhì)、低成本的可展開折紙?zhí)炀€[37]。文獻[38]詳細介紹了折紙?zhí)炀€設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了用于折紙?zhí)炀€設(shè)計與優(yōu)化的開發(fā)軟件。文獻[39]提出了一種六邊形折疊反射陣天線，該天線的展開過程如圖17所示。該天線的工作頻率為16GHz，增益達到26.4dB，口徑效率優(yōu)于60%。文獻[40]提出一種基于折紙藝術(shù)的折疊可重構(gòu)反射陣天線，通過機械控制反射陣的折疊狀態(tài)來獲得兩個筆形偏轉(zhuǎn)波束和兩個雙波束輻射特性，如圖18所示。
圖17 六邊形折疊反射陣的展開過程[39]Fig.17 Deployment process of hexagonal twist RA prototype [39]
圖18 折疊可重構(gòu)反射陣的不同狀態(tài)[40]Fig.18 Different states of foldable and reconfigurable RA[40]
3.3 3D打印天線
隨著現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷發(fā)展，星載天線的工作頻率在不斷升高，傳統(tǒng)的微波波段加工方法(數(shù)控機床、印刷電路板等技術(shù))已經(jīng)難以滿足高頻段天線的加工精度要求[41]。近幾年，3D打印技術(shù)取得了突破性進展，其采用層疊原材料的方法可以快速制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量輕便的高強度器件。在天線設(shè)計領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以滿足天線低成本、短時間制造和高精度的要求。金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)被用來制造PolarCube立方體衛(wèi)星的饋源，該天線是一個工作頻段為118.5GHz的波紋喇叭天線[42]。如圖19所示，文獻[20]利用金屬3D打印技術(shù)加工了一款低剖面反射面天線，該天線的工作頻率為19GHz，增益約為28.4dB，剖面高度約為同口徑反射面天線的1/12。
圖19 文獻[20]中3D打印全金屬階梯反射面天線Fig.19 Photographs of 3D printed metal-only stepped reflector antenna in ref. [20]
此外，基于介質(zhì)材料的3D打印技術(shù)也已經(jīng)被用來加工制造毫米波、太赫茲頻段透鏡天線[43-44]。如圖20(a)所示，文獻[44]提出了一種28GHz的梯度折射率透鏡天線，利用3D打印技術(shù)來實現(xiàn)梯度漸變結(jié)構(gòu)，波束掃描角達到±58°，方向性系數(shù)達到28.2，口徑效率為67%；如圖20(b)所示，文獻[45]提出了一種工作頻率為300GHz的圓極化透鏡天線，增益達到30.8dBi，口徑效率為25.63%；如圖20(c)所示，文獻[46]提出了一種用于星載微波散射計的透鏡天線，該天線的工作頻率為13.4GHz，增益大于25.0dBi，口徑效率為50%。
圖20 文獻[44]～[46]中3D打印透鏡天線Fig.20 Photographs of 3D printed Lens antennas in ref.[44]～ref.[46]
4 結(jié)論
文章簡要介紹了立方體衛(wèi)星及其天線的技術(shù)特點，結(jié)合立方體衛(wèi)星的應(yīng)用實例重點闡述了立方體衛(wèi)星高增益天線的技術(shù)現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了立方體衛(wèi)星高增益天線的未來發(fā)展趨勢，以期對我國立方體衛(wèi)星的研究與應(yīng)用提供參考。目前，裝備高增益天線的立方體衛(wèi)星已經(jīng)成為衛(wèi)星家族不可小覷的重要成員。隨著立方體衛(wèi)星在空間通信、太空觀測、電子偵察、資源勘探等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，用于立方體衛(wèi)星的高增益天線將會成為立方體衛(wèi)星設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。此外，為了充分利用立方體衛(wèi)星有限的空間資源、載重能力、功耗以及成本，未來的立方體衛(wèi)星天線工程師不僅需要具備相應(yīng)的微波天線設(shè)計經(jīng)驗，還需要充分了解整個立方體衛(wèi)星系統(tǒng)的組成及其功能。
